Преимущества белых светодиодных ламп и новые детекторные технологии в фотометрии

1. Сравнение измерений Измеренные значения освещенности с помощью PQED и фотометра составляли (12,178...

Сравнение измерений

Измеренные значения освещенности с помощью PQED и фотометра составляли (12,178 ± 0,031) лк и (12,181 ± 0,050) лк соответственно с относительной разницей 0,03%. Фототок PQED (136,0 нА) был значительно больше фототока эталонного фотометра (30,19 нА). Коэффициенты коррекции несоответствия спектра составляли 0,4254 и 0,9994 для методов PQED и фотометра соответственно.

Бюджеты неопределенности реализации освещенности для обоих методов измерения приведены в Таблица 1 , Большинство компонентов неопределенности одинаковы или похожи для обоих методов измерения. Тем не менее, абсолютная чувствительность PQED 17 известен более точно, чем у эталонного фотометра. В случае эталонного фотометра точность этого параметра сильно ограничена повторяемостью измерения спектральной чувствительности.

Таблица 1: Бюджеты неопределенности измерения освещенности для эталонного фотометра и методов PQED

Неопределенность, связанная с поправочным коэффициентом F r несоответствия спектра в методе PQED, определяется неопределенностью измерения относительного спектра источника света. Шкала длин волн спектрорадиометра была проверена и исправлена ​​на месте с использованием известных длин волн лазера. Остаточная неопределенность шкалы длин волн была оценена как менее 0,04 нм, что означает стандартную неопределенность 0,03% в значении освещенности метода PQED. Влияние неопределенности спектральной шкалы освещенности на результаты измерений было исследовано путем введения наклона 1% во всем видимом диапазоне длин волн шкалы. Кроме того, масштаб спектральной освещенности был изменен синусоидальной волной, так что изменение от пика к пику в видимом диапазоне длин волн составляло не более 1%. Период и фаза волны варьировались в анализе. Влияние этих модификаций спектральной шкалы освещенности на неопределенность измерения освещенности составило менее 0,06%. Неопределенность из-за экстраполяции спектра ниже минимального уровня шума при оценке была оценена в 0,08% для метода PQED. Неопределенность, указанная под F r в Таблица 1 является квадратичной суммой компонентов, обсужденных выше. Влияние измерения спектральной чувствительности на неопределенность метода PQED было незначительным (<0,002%) по сравнению с другими источниками неопределенности.

Неопределенность, связанная с поправочным коэффициентом F r несоответствия спектра метода эталонного фотометра, определяется неопределенностью измерения спектральной чувствительности детектора. Неопределенность шкалы длин волн измерения спектральной чувствительности (0,1 нм) была значительно выше, чем погрешность измерения спектральной освещенности источника света, потому что первая основывается на стандартах передачи длины волны, а не на более точных лазерных стандартах. Эта неопределенность в шкале длин волн преобразуется в стандартную неопределенность 0,10% в значении освещенности метода эталонного фотометра. Другим включенным источником неопределенности при определении F r метода эталонного фотометра является повторяемость измерения относительной спектральной чувствительности, которая вызвала 0,06% неопределенности в результатах. Влияние измерения спектральной освещенности источника света на неопределенность метода фотометра было незначительным (<0,002%) по сравнению с другими источниками неопределенности. Это связано с тем, что спектральная чувствительность s rel ( λ ) эталонного фотометра относительно близка к функции V ( λ ), что означает, что небольшие изменения в спектре влияют как на числитель, так и на знаменатель уравнения (3) Аналогичным образом.

Компонент неопределенности, связанный с выравниванием апертуры, состоит из терминов, связанных с угловым выравниванием нормалей апертуры относительно оптической оси, а также пространственным выравниванием апертур. Неопределенность в первом влияет на считывание изменений в проецируемой области апертуры, в то время как неопределенность во втором влияет на результаты из-за неравномерности освещения в плоскости измерения. 16 , Компонент неопределенности рассеянного света включает в себя свет источника измерения, поступающий в детекторы через отражения от элементов измерительной установки, таких как перегородки и стены светонепроницаемого корпуса, а также свет от любого другого источника, который могут быть видны детекторами 16 , Неопределенность в измерении фототока зависит от повторяемости измерения, что в свою очередь зависит от дрейфа и кратковременных колебаний источника света, а также от шума и дрейфа преобразователей тока в напряжение и цифровых вольтметров. ,

Метод PQED ранее сравнивался с традиционным методом фотометра в случае измерения освещенности синих и красных светодиодов. 16 , Выяснилось, что расширенная неопределенность метода PQED (от 0,34% до 0,36%) была намного ниже, чем у метода фотометра (от 0,92% до 1,01%), в значительной степени благодаря лучшему контролю шкалы длин волн во время измерение. Как спектральная полоса пропускания белого светодиодного светильника (см. Рисунок 3 ) намного шире, чем у одноцветных светодиодов, неопределенности длины волны измерений вносят меньший вклад в общую неопределенность измерения, чем в случае красных и синих светодиодов 16 , По той же причине экстраполяция хвоста высокоэнергетической стороны синих светодиодов лампы становится менее критичной. Тем не менее, поскольку хвостовой пик люминофора лампы относительно мягко падает в красной и ближней инфракрасной областях, а чувствительность PQED в этой области самая высокая, экстраполяция низкоэнергетической стороны спектра все еще остается значительный источник неопределенности в измерениях на основе PQED. Чувствительность фотоумножительной трубки (ФЭУ) спектрорадиометра, который использовался в сравнительных измерениях, быстро уменьшалась после длины волны около 800 нм. Неопределенность из-за экстраполяции спектра за пределы минимального уровня шума измерения может быть значительно снижена в будущем при использовании в спектральном измерении детектора, который является более чувствительным в ближней ИК-области. Для метода PQED также важно, чтобы источник не имел неучтенных спектральных особенностей в УФ и ИК областях. Это было проверено путем измерения светодиодной лампы на близком расстоянии с помощью масс-спектрометра, чувствительного в этих областях. Таких особенностей не обнаружено.

К светодиодному осветителю

Хотя метод фотометрических измерений на основе PQED может использоваться непосредственно, например, при измерении освещенности точечных светодиодов и светодиодных ламп, он не подходит для некоторых измерений, например, тех, которые требуют большого поля зрения. Тем не менее, PQED все еще может использоваться в качестве альтернативы эталонному фотометру при калибровке фотометрических измерительных приборов, таких как измерители освещенности с входом в диффузор и интегрирующие сферические фотометры, которые используются для измерения светодиодных источников света. PQED также можно использовать для калибровки измерителей яркости при условии, что спектр источника яркости ограничен диапазоном чувствительности кремниевых фотодиодов. Хотя геометрия измерений этих калибровок несколько отличается друг от друга, основной принцип всегда один и тот же, то есть измерение стандартного источника на основе светодиодов как с PQED, так и с тестируемым устройством.

Помимо обеспечения более точного метода для реализации фотометрических единиц по сравнению с традиционным фотометрическим методом, фотометрические стандартные лампы на основе светодиодов также могут уменьшить погрешность фотометрических измерений более прямым способом. В дополнение к неопределенности, связанной с калибровкой фотометра, комбинированная неопределенность фотометрического измерения включает в себя компонент, связанный со спектральной ошибкой, которая возникает, когда калиброванный фотометр используется для измерения источников света, спектральное распределение мощности которых отклоняется от распределения калибровки. источник. Это происходит, например, когда фотометр калибруется с использованием лампы накаливания, но затем используется для измерения светодиодного освещения. 26 ,

Спектральная ошибка может быть учтена с помощью поправочного коэффициента несоответствия спектра. 26 где Φ cal ( λ ) и Φ source ( λ ) - относительные спектры калибровочного источника и измеряемой лампы соответственно. Коэффициент коррекции несоответствия спектра имеет значение единицы, когда фотометр имеет идеальную спектральную чувствительность, то есть s rel ( λ ) = V ( λ ), или когда спектры источников измерения и калибровки имеют одинаковую форму. Если спектральная чувствительность детектора или спектра измеряемого источника света неизвестна, коррекция не может быть применена. В этом случае уравнение (4) может использоваться для оценки погрешности измерения, связанной с разницей в относительных спектрах источника калибровки и источника, подлежащего измерению.

Чтобы изучить, как выбор калибровочного источника света и фотометра влияет на коррекцию несоответствия спектра, мы рассчитали F для различных комбинаций фотометра и источника света. Коэффициенты коррекции несоответствия спектра были рассчитаны для трех фотометров, эталонного фотометра Университета Аалто и двух коммерческих фотометров с относительно хорошей спектральной чувствительностью, чтобы увидеть, как различия в чувствительности влияют на результаты. Нормализованные спектральные характеристики трех фотометров вместе с их абсолютными отклонениями от функции V ( λ ) показаны в Рисунок 4 , Коэффициенты качества f 1 ′ фотометров 27 , 28 , которые описывают, насколько хорошо спектральные характеристики детекторов приближаются к идеальной функции V ( λ ), составили 2,27%, 2,31% и 1,80% для эталонного фотометра и коммерческих фотометров 1 и 2 соответственно.

Нормализованные спектральные характеристики трех фотометров и их абсолютные отклонения от функции V ( λ ). Ссылка. Ссылка.

Спектры 26 коммерческих светодиодных ламп на основе E27 с относительно низкими коррелированными цветовыми температурами ( T c = 2611–3332 K) и девяти светодиодных ламп с относительно высокими коррелированными цветовыми температурами ( T c = 4178–8334 K) - обозначенные здесь как теплый белый и холодные белые светодиодные лампы - были измерены для использования в качестве тестовых источников в анализе. Измеренные спектры светодиодных ламп приведены в Рисунок 5 , Поскольку на момент написания этой статьи не было стандартизированных светодиодных осветительных приборов, мы создали два вспомогательных светодиодных осветителя, взяв среднее значение нормализованных спектров теплого белого и холодного белого светодиодных ламп. Спектры двух теплых белых светодиодных ламп, которые содержали красные светодиоды, были исключены из среднего значения. Теплые белые и холодные белые светодиодные осветительные приборы, в дальнейшем именуемые «Источником света» и «Источником света», наряду с Источником А, использовались в качестве спектров калибровочных источников при анализе коррекции несоответствия спектра. Коррелированные цветовые температуры «источников света» LW и LC составляли 2935 К и 5716 К, соответственно. Спектры генерируемых источников света также показаны в Рисунок 5 ,

Спектры ( а ) 26 теплых белых светодиодных ламп и «Иллюминанта» LW (красная линия с маркерами) и ( б ) девяти холодных белых светодиодных ламп и «Иллюминанта» LC (синяя линия с маркерами) нормализованы до синего пика. Коррелированные цветовые температуры были между 2611 К и 3332 К для теплых белых светодиодных ламп и между 4178 К и 8334 К для холодных белых светодиодных ламп. Пики синих светодиодов охватывают диапазоны длин волн приблизительно 30 нм и 22 нм для теплых белых и холодных белых светодиодных ламп соответственно. Из-за изменения длин волн синих светодиодов синие пики усредненных спектров были ниже единицы. На рисунках спектры «источников света» LW и LC снова нормированы на синие пики, что поднимает части спектра фосфора выше исходного среднего.

Таблица 2 перечисляет поправочные коэффициенты несоответствия спектра для различных типов фотометров, источников, которые должны быть измерены, и калибровочных источников света. Числа, перечисленные в Таблица 2 являются средним значением ( F - 1) · 100% по всем источникам, которые должны быть измерены в данном типе лампы. Максимальные отклонения от идеального случая ( F = 1) указаны в скобках для каждого источника измерения и комбинации калибровочных осветительных приборов.

Как и ожидалось, коррекция несоответствия спектра равна единице, когда спектры источников измерения и калибровки идеально совпадают и близки к единице, когда два спектра очень похожи друг на друга (красные диагонали в Таблица 2 ). И наоборот, большая ошибка несоответствия спектра возникает, если два спектра резко различаются. Чтобы решить эту проблему, CIE рекомендует использовать в измерениях на светодиодах фотометры с относительно хорошими спектральными характеристиками ( f 1 ′ <3%) или метод «строгой замены», при котором контрольный светодиод сравнивается со стандартным светодиодом «того же цвета» 26 , Результаты анализа показывают, что средние погрешности значительны для калиброванных фотометров со стандартным источником света A - до 0,53% для теплого белого и до 1,36% для холодных белых светодиодных ламп - даже при том, что качественные коэффициенты f 1 'тестируемых фотометров значительно ниже 3%. Используя LW и LC «Источники света» для калибровки фотометров, измеряющих светодиоды теплого белого и холодного белого цвета, соответственно, средняя ошибка, связанная с коррекцией несоответствия спектра, может быть уменьшена до уровня ниже 0,05%. Ошибка наихудшего случая также значительно уменьшается при переключении с источника калибровки источника света А на соответствующий светодиодный осветитель, даже если спектры измеряемых светодиодов и светодиодного осветителя могут значительно отличаться (см. Рисунок 5 ) и замена не может считаться «строгой». Следовательно, переход на стандартные светодиодные лампы может привести к значительному повышению точности фотометрических измерений в приложениях, где F обычно не применяется для исправления спектральной ошибки. Однако следует отметить, что если коррелированные цветовые температуры светодиодной лампы, подлежащей измерению, и светодиодной стандартной лампы значительно отличаются, ошибка, связанная с F, может быть такой же или выше, чем ошибка в случае источника калибровки источника А света. Поэтому для светодиодов с относительно низкими и относительно высокими коррелированными цветовыми температурами требуются два разных источника света - то есть, «Стандартный источник света» LW и «Стандартный источник света», а для минимизации погрешности, связанной с F , тип источника калибровки должен всегда выбирайте в соответствии с типом измеряемого светодиодного источника.

Результаты анализа коррекции несоответствия спектра показывают, что задача определения новых осветительных приборов на основе светодиодов была бы не только полезной, но и осуществимой, несмотря на относительно сложные спектры белых светодиодов. Даже если спектр светодиодной стандартной лампы несколько отличается от светодиодного источника света, погрешность, связанная с этим расхождением, будет относительно небольшой. Об этом свидетельствуют Таблица 2 а также Рисунок 5 и это также можно увидеть, манипулируя спектром источников света: изменения до 30% в пределах выбранных интервалов длин волн изменили коррекцию несоответствия спектра менее чем на 0,1%.

Похожие

Комментарии